CN109163986A - 一种海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种海洋气候环境‑扭转载荷耦合试验装置及试验方法，试验装置采用立式布局，包括机架结构，在机架结构上部设置有夹持机构，夹持机构连接伺服扭转疲劳系统，伺服扭转疲劳系统连接液压动力系统并通过液压动力系统驱动伺服扭转疲劳系统运行，伺服扭转疲劳系统连接环境试验控制系统用于控制试验条件；夹持机构、机架结构上部四面镂空并暴露于海洋大气环境中，伺服扭转疲劳系统、信号检测单元、动力系统以及机架结构下部设置于可控温控湿的密闭室内；试验方法主要步骤包括采用该实验装置进行海洋气候环境‑扭转载荷耦合试验。本发明试验装置的稳定性、协同性、防水性、可靠性等性能优异，能够长期在海洋大气环境中使用。

Description

一种海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置及试验方法
技术领域
本发明属于材料力学试验技术领域，具体涉及一种海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置及试验方法。
背景技术
飞机起落架、车辆主轴等产品海洋气候环境下服役，普遍遭受高温、高湿、高盐雾、强太阳辐射和频繁的干/湿交替循环等严酷环境腐蚀和反复的拉伸、扭转等疲劳载荷的耦合作用，这种耦合作用远大于环境腐蚀和载荷疲劳单独作用时装备性能退化的简单迭加，对材料力学性能产生极大的影响。因此，依据传统的单一自然环境试验和实验室扭转疲劳试验，很难获取材料服役工况下的扭转性能退化规律，急需开发一种可在海洋大气户外环境下开展材料扭转性能测试的试验装置及试验方法，更为准确获取材料实际服役条件下的扭转性能，有效避免因材料失效引起的一系列重大事故，保障装备在海洋气候环境下安全可靠服役。
目前，国内外对材料扭转疲劳性能测试主要在实验室进行，如CN107703006A公开的拉伸预载荷下扭转疲劳的复合加载装置，可实现电场、热场及磁场耦合，又如CN106872294A公开的材料扭转及扭转疲劳试验装置，包括疲劳试验机、真空杜瓦容器、控温系统和夹具组件。如前所述试验装置主要是在实验室对电场、热场、磁场或温度进行模拟，实现环境因素与扭转疲劳的耦合，不能反映复杂海洋大气腐蚀环境与扭转疲劳的耦合作用。更为重要的是，现有的扭转试验装置不能在海洋大气环境下长久（时间在半年以上）、可靠的工作。
发明内容
本发明目的之一在于提供一种海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置，解决现有扭转试验装置不能在海洋大气环境下长久、可靠工作的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置，包括机架结构，在机架结构上部设置有夹持机构，夹持机构连接伺服扭转疲劳系统，伺服扭转疲劳系统连接信号检测单元，信号检测单元包括用于检测扭矩的扭矩传感器和用于检测扭转角度的角度传感器，伺服扭转疲劳系统连接液压动力系统并通过液压动力系统驱动伺服扭转疲劳系统运行，伺服扭转疲劳系统连接环境试验控制系统用于控制试验条件；夹持机构、机架结构上部四面镂空并暴露于海洋大气环境中，伺服扭转疲劳系统、信号检测单元、动力系统以及机架结构下部设置于可控温控湿的密闭室内；
其中，机架结构包括水平设置的底座和竖直设置的立柱，在立柱顶部设置有横梁，在立柱中部设置有工作台，在立柱底部设置有底座，工作台、立柱与横梁共同构成第一闭环框架，工作台、立柱与底座共同构成第二闭环框架；
在底座下方设置有升降油缸，升降油缸上端连接立柱，升降油缸下端连接液压动力系统；
夹持机构包括同轴线设置的上夹头和下夹头，上夹头连接横梁，下夹头通过夹杆连接伺服扭转疲劳系统；
其中，伺服扭转疲劳系统包括依次连接的波纹联轴器、伺服阀、摆动缸和摆动作动器，波纹联轴器连接夹杆，扭矩传感器设置于波纹联轴器与夹杆之间，角度传感器连接摆动作动器并与摆动作动器同轴设置，伺服阀连接液压动力系统；
在横梁与工作台之间设置有防水装置，防水装置水平套设于立柱和夹杆上，且防水装置与立柱相接处的部位形成迷宫式密封；
在横梁表面设置有镀铬层，在横梁的镀铬层表面设置有耐海水有机涂料层；在立柱表面设置有镀铬层，在立柱的镀铬层表面设置有防锈油；在夹持机构表面设置有镀锌层，在夹持机构非承力部位的镀锌层表面设置有耐海水有机涂料层；
在工作台上设置有锁紧缸，启动锁紧缸可将立柱锁紧，且当锁紧缸处于锁紧状态时，工作台、立柱均被固定，通过液压动力系统驱动摆动作动器往复旋转运动并带动夹持机构转动以实现扭转加载；当锁紧机构处于非锁紧状态时，通过液压动力系统驱动立柱和横梁同步升降以实现夹持机构的夹持间距调节。
进一步地，摆动作动器为双叶片摆动作动器，双叶片摆动作动器包括两组油腔；液压动力系统的压力油经伺服阀出油口分别流入摆动作动器的两组油腔，两组油腔的压差产生液压力作用到双叶片，进而推动活塞转动产生扭矩，实现对试样的静态或动态扭转试验。
作为优选方案之一，立柱为相互平行的双立柱。
进一步地，防水装置采用喷涂有机涂料的316L不锈钢密封，防水装置与地下密闭控制室顶部均设置有水泥防水层。
作为优选方案之一，横梁、立柱均采用316L不锈钢，耐海水有机涂料采用TE 55-80环氧富锌底漆+TS 55-80聚氨酯面漆。
进一步地，试验装置的试验频率范围为0.01-50HZ，试验装置的静态扭转载荷、动态扭转载荷范围均为±1000N·m，试验装置的有效夹持间距为50-350mm。
本发明目的之二在于提供一种海洋气候环境-扭转载荷耦合试验方法，该试验方法采用上述海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置进行，其步骤包括：
步骤1，开启环境试验控制系统，启动海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置的液压动力系统；
步骤2，驱动立柱和横梁上移，当试样夹持间距大于试样总长度时，将试样一端安装于上夹头，然后将立柱和移动横梁下移至合适位置，将试样另一端安装于下夹头，将锁紧缸锁紧，完成试样安装；
步骤3，试样安装完成后，根据试样对应的产品在服役中所受的扭转载荷确定扭转试验条件，在环境试验控制系统中设定好扭转试验条件后开展扭转试验，反复扭转直至试样断裂或试验周期结束；试验过程中，采集扭转试验数据，开展试验结果评定；试验过程中，至少在试样断裂后的3h内取回试样，并将试样放置在干燥器中待测。
进一步地，开展动态扭转试验时，扭转试验时间不应低于10天，每天扭转一次，每次扭转时间不应低于30分钟，扭转角度范围为±45°。
本发明通过特定结构布置、液压动力系统和伺服扭转疲劳系统的相互配合，使得试验装置的稳定性、协同性、防水性、可靠性等性能相当优异，能够长期在海洋大气环境中使用，试验证明，本发明实验装置能够海洋大气环境中连续使用半年以上；本发明试验装置主要用于在海洋大气户外环境下开展扭转试验和扭转疲劳试验，而不仅仅局限于实验室模拟环境试验；本发明试验装置将夹持机构位于密闭室外，保证了试样始终暴露于海洋大气户外环境中，实现了海洋气候环境腐蚀与扭转疲劳试验的有效耦合，所得试验结果更为准确、真实、可靠，更具工程应用价值；本发明试验装置采用316L不锈钢进行密封，并对316L不锈钢喷涂有机涂料，防水装置对双立柱表面进行迷宫式密封，防水装置与密闭室顶部之间做水泥防水，有效保证了雨水不会从立柱与地下密闭控制室顶部衔接处漏进地下密闭控制室；本发明试验装置既能补偿上下夹头间的不同轴，又能吸收试样在受到扭转载荷时产生的轴向变形，防变形、防偏转性能优异；本发明试验装置的夹持间距可调，可对50mm-350mm长度试样进行扭转及扭转疲劳试验。
附图说明
图1为实施例中海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置结构示意图；
图2为图1中试验装置安装示意图；
图3为图1中试验装置的摆动作动器示意图；
图中：1-移动横梁、2-夹持机构、3-夹杆、4-立柱、5-防水装置、6-扭矩传感器、7-波纹管联轴器、8-工作台、9-锁紧缸、10-升降油缸、11-底座、12-伺服阀、13-摆动缸、14-摆动作动器、15-角度传感器、16-密闭室、17-液压动力系统、18-密闭室上壁、19-油源管路；
图4为实施例3中30CrMnSiNi2A高强钢试样开展45天海洋气候环境-扭转载荷耦合试验的抗扭强度变化曲线图；
图5为实施例3中30CrMnSiNi2A高强钢试样开展45天海洋气候环境-扭转载荷耦合试验的金相显微组织图；
图6为30CrMnSiNi2A高强钢试样在海洋大气环境静态暴露6个月的金相显微组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，在此指出以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域普通技术人员根据本发明的内容作出一些非本质的改进和调整，均在本发明保护范围内。
实施例1
一种海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置，如图1和图2所示，采用立式布局，包括机架结构，在机架结构上部设置有夹持机构2，夹持机构2连接伺服扭转疲劳系统，伺服扭转疲劳系统连接信号检测单元，信号检测单元包括用于检测扭矩的扭矩传感器6和用于检测扭转角度的角度传感器15，伺服扭转疲劳系统连接液压动力系统17并通过液压动力系统17驱动伺服扭转疲劳系统运行，伺服扭转疲劳系统连接环境试验控制系统（本发明所述环境试验控制系统是指能够设定试验加载周期、加载力等试验条件的常规软件控制系统）用于控制试验条件；夹持机构2、机架结构上部四面镂空并暴露于海洋大气环境中，伺服扭转疲劳系统、信号检测单元、动力系统17以及机架结构下部设置于可控温控湿的密闭室16内；
其中，机架结构包括水平设置的底座11和竖直设置的立柱4，在立柱4顶部设置有横梁1，在立柱4中部设置有工作台8，在立柱4底部设置有底座11，工作台8、立柱4与横梁1共同构成第一闭环框架，工作台8、立柱4与底座11共同构成第二闭环框架；
在底座11下方设置有升降油缸10，升降油缸10上端连接立柱4，升降油缸10下端连接液压动力系统17；
夹持机构2包括同轴线设置的上夹头和下夹头，上夹头连接横梁1，下夹头通过夹杆3连接伺服扭转疲劳系统；
其中，伺服扭转疲劳系统包括依次连接的波纹联轴器7、伺服阀12、摆动缸13和摆动作动器14，波纹联轴器7连接夹杆3，扭矩传感器6设置于波纹联轴器7与夹杆3之间，角度传感器15连接摆动作动器14并与摆动作动器14同轴设置，伺服阀12连接液压动力系统17；
在横梁1与工作台8之间设置有防水装置5，防水装置5水平套设于立柱4和夹杆3上，且防水装置5与立柱4相接处的部位形成迷宫式密封；
在横梁1表面设置有镀铬层，在横梁1的镀铬层表面设置有耐海水有机涂料层；在立柱4表面设置有镀铬层，在立柱4的镀铬层表面设置有防锈油；在夹持机构2表面设置有镀锌层，在夹持机构2非承力部位的镀锌层表面设置有耐海水有机涂料层；
在工作台8上设置有锁紧缸9，启动锁紧缸9可将立柱4锁紧，且当锁紧缸9处于锁紧状态时，工作台8、立柱4均被固定，通过液压动力系统17驱动摆动作动器14往复旋转运动并带动夹持机构2转动以实现扭转加载；当锁紧机构处于非锁紧状态时，通过液压动力系统17驱动立柱4和横梁1同步升降以实现夹持机构2的夹持间距调节。
本实施例中，摆动作动器14为双叶片摆动作动器，双叶片摆动作动器包括两组油腔，如图3所示，第一组油腔由油腔1401和油腔1402构成，第二组油腔由油腔1403和油腔1404构成。液压动力系统17的液压油经伺服阀12出油口分别流入摆动作动器14的两组油腔，两组油腔的压差产生液压力作用到双叶片，进而推动活塞转动产生扭矩，实现对试样的静态或动态扭转试验。
本实施例中，立柱4为相互平行的双立柱。
本实施例中，防水装置5采用喷涂有机涂料的316L不锈钢密封，防水装置5与密闭室16顶部均设置有水泥防水层，横梁1、立柱4均采用316L不锈钢，耐海水有机涂料采用TE55-80环氧富锌底漆+TS 55-80聚氨酯面漆。
本实施例中，试验装置的试验频率范围为0.01-50HZ，试验装置的静态扭转载荷、动态扭转载荷范围均为±1000N·m，试验装置的有效夹持间距为50-350mm。
安装方法：如图2所示，液压动力系统17、伺服扭转疲劳系统、信号检测单元和机架结构下部安装于密闭室16内，密闭室16内安装除湿机，采用空调控温、控湿；夹持机构2、机架结构上部暴露于海洋大气环境中，防水装置5位于密闭室16上壁上方并套设于横梁1与工作台8之间的立柱4上，使用时，防水装置5靠近密闭室16上壁。
采用上述海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置开展海洋气候环境-扭转载荷耦合试验，其步骤包括：
步骤1，开启环境试验控制系统，启动海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置的液压动力系统；
步骤2，驱动立柱和横梁上移，当试样夹持间距大于试样总长度时，将试样一端安装于上夹头，然后将立柱和移动横梁下移至合适位置，将试样另一端安装于下夹头，将锁紧缸锁紧，完成试样安装；
步骤3，试样安装完成后，根据试样对应的产品在服役中所受的扭转载荷确定扭转试验条件，在试验控制系统中设定好扭转试验条件后开展扭转试验，反复扭转直至试样断裂或试验周期结束；试验过程中，采集扭转试验数据，开展试验结果评定；试验过程中，至少在试样断裂后的3h内取回试样，并将试样放置在干燥器中待测。
进一步地，开展动态扭转试验时，扭转试验时间不应低于10天，每天扭转一次，每次扭转时间不应低于30分钟，扭转角度范围为±45°。
实施例2
一种海洋气候环境-扭转载荷耦合试验方法，该试验方法采用实施例1中试验装置开展静态扭转试验，其步骤包括：
步骤1，开启环境试验控制系统，启动海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置的液压动力系统；
步骤2，驱动立柱和横梁上移，当试样夹持间距大于试样总长度时，将试样一端安装于上夹头，然后将立柱和移动横梁下移至合适位置，将试样另一端安装于下夹头，将锁紧缸锁紧在工作台两侧，完成试样安装；
步骤3，试样安装完成后，根据试样对应的产品在服役中所受的扭转载荷确定扭转试验条件，在试验控制系统中设定好扭转载荷试验条件，按-45°~45°扭转角度范围对试样进行静态扭转试验，反复扭转直至试样断裂；试验过程中，采集扭转试验数据，试验数据包括但不限于抗扭强度、最大扭矩，开展试验结果评定；试验过程中，至少在试样断裂后的3h内取回试样，并将试样放置在干燥器中待测。
实施例3
一种海洋气候环境-扭转载荷耦合试验方法，该试验方法采用实施例1中试验装置对尺寸规格为Φ10×200mm 的30CrMnSiNi2A高强钢试样开展动态扭转试验，其步骤包括：
步骤1，开启环境试验控制系统，启动海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置的液压动力系统；
步骤2，驱动立柱和横梁上移，当试样夹持间距大于试样总长度时，将试样一端安装于上夹头，然后将立柱和移动横梁下移至合适位置，将试样另一端安装于下夹头，将锁紧缸锁紧在工作台两侧，完成试样安装；
步骤3，试样安装完成后，根据试样对应的产品在服役中所受的扭转载荷确定扭转试验条件，在试验控制系统中设定好扭转载荷试验条件后进行动态扭转试验，
具体分两种方式开展动态扭转试验，其一为：每天扭转疲劳加载1次，每次加载30min，扭转角度范围为±45°，直至试样断裂，试样断裂后的3h内需取回试样，并将试样放置在干燥器中待测，对其扭转疲劳断裂次数、断口形貌、金相显微组织进行检测，获取试样海洋气候环境腐蚀与扭转疲劳耦合作用的疲劳寿命、断口形貌、腐蚀形式及腐蚀深度试验数据；其二为：预先设定疲劳加载试验为10、20、30、45天，每天扭转疲劳加载1次，每次加载30min，扭转角度范围为±45°，试验结束后，对试样进行扭转试验，将试样扭断，对其扭转性能、金相显微组织进行检测，获取试样真实气候环境下扭转疲劳性能随环境腐蚀-扭转载荷耦合作用时间的变化规律，以及耦合试验下试样的腐蚀形式及腐蚀深度试验数据，试验结果如图4和图5所示。
将同批次的另一30CrMnSiNi2A高强钢试样置于海洋气候环境中静态暴露6个月，对其金相显微组织进行检测，结果如图6所示。
由图4可知，30CrMnSiNi2A高强钢试样开展海洋气候环境-扭转载荷耦合试验45天后，其抗扭强度下降22%；由图5可知，30CrMnSiNi2A高强钢试样开展海洋气候环境-扭转载荷耦合试验45天后，高强钢表面呈点状腐蚀，最大腐蚀深度约为92μm；由图6可知，30CrMnSiNi2A高强钢试样在海洋大气环境静态暴露6个月后，高强钢表面也呈点状腐蚀，最大腐蚀深度约71μm。可见，海洋气候环境腐蚀和扭转载荷疲劳的双重作用对高强钢扭转性能下降产生了显著影响，加快了高强钢腐蚀速率。
参照实施例3，发明人先后在同一试验装置上连续对5个30CrMnSiNi2A高强钢试样开展了海洋气候环境-动态扭转载荷耦合试验，试验共进行了225天，试验过程中，该装置一直连续、稳定的运行，密闭室内未进水。可见，本发明试验装置的稳定性、协同性、防水性、可靠性等性能相当优异，能够在海洋大气环境中连续使用半年以上。

Claims (6)

1.一种海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置，包括机架结构，在机架结构上部设置有夹持机构（2），其特征在于：夹持机构（2）连接伺服扭转疲劳系统，伺服扭转疲劳系统连接信号检测单元，信号检测单元包括用于检测扭矩的扭矩传感器（6）和用于检测扭转角度的角度传感器（15），伺服扭转疲劳系统连接液压动力系统（17）并通过液压动力系统（17）驱动伺服扭转疲劳系统运行，伺服扭转疲劳系统连接环境试验控制系统用于控制试验条件；夹持机构（2）、机架结构上部四面镂空并暴露于海洋大气环境中，伺服扭转疲劳系统、信号检测单元、动力系统（17）以及机架结构下部设置于可控温控湿的密闭室（16）内；
其中，机架结构包括水平设置的底座（11）和竖直设置的立柱（4），在立柱（4）顶部设置有横梁（1），在立柱（4）中部设置有工作台（8），在立柱（4）底部设置有底座（11），工作台（8）、立柱（4）与横梁（1）共同构成第一闭环框架，工作台（8）、立柱（4）与底座（11）共同构成第二闭环框架；
在底座（11）下方设置有升降油缸（10），升降油缸（10）上端连接立柱（4），升降油缸（10）下端连接液压动力系统（17）；
夹持机构（2）包括同轴线设置的上夹头和下夹头，上夹头连接横梁（1），下夹头通过夹杆（3）连接伺服扭转疲劳系统；
其中，伺服扭转疲劳系统包括依次连接的波纹联轴器（7）、伺服阀（12）、摆动缸（13）和摆动作动器（14），波纹联轴器（7）连接夹杆（3），扭矩传感器（6）设置于波纹联轴器（7）与夹杆（3）之间，角度传感器（15）连接摆动作动器（14）并与摆动作动器（14）同轴设置，伺服阀（12）连接液压动力系统（17）；
在横梁（1）与工作台（8）之间设置有防水装置（5），防水装置（5）水平套设于立柱（4）和夹杆（3）上，且防水装置（5）与立柱（4）相接处的部位形成迷宫式密封；
在横梁（1）表面设置有镀铬层，在横梁（1）的镀铬层表面设置有耐海水有机涂料层；在立柱（4）表面设置有镀铬层，在立柱（4）的镀铬层表面设置有防锈油；在夹持机构（2）表面设置有镀锌层，在夹持机构（2）非承力部位的镀锌层表面设置有耐海水有机涂料层；
在工作台（8）上设置有锁紧缸（9），启动锁紧缸（9）可将立柱（4）锁紧，且当锁紧缸（9）处于锁紧状态时，工作台（8）、立柱（4）均被固定，通过液压动力系统（17）驱动摆动作动器（14）往复旋转运动并带动夹持机构（2）转动以实现扭转加载；当锁紧机构处于非锁紧状态时，通过液压动力系统（17）驱动立柱（4）和横梁（1）同步升降以实现夹持机构（2）的夹持间距调节;
所述试验装置的试验频率范围为0.01-50HZ，所述试验装置的静态扭转载荷、动态扭转载荷范围均为±1000N·m，所述试验装置的有效夹持间距为50-350mm。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述摆动作动器（14）为双叶片摆动作动器，双叶片摆动作动器包括两组油腔，液压动力系统（17）的液压油经伺服阀（12）出油口分别流入摆动作动器（14）的两组油腔，两组油腔的压差产生液压力作用到双叶片，进而推动活塞转动产生扭矩，实现对试样的静态或动态扭转试验。
3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于：所述立柱（4）为相互平行的双立柱。
4.根据权利要求1、2或3所述的试验装置，其特征在于：所述防水装置（5）采用喷涂有机涂料的316L不锈钢密封，所述防水装置（5）与密闭室（16）顶部均设置有水泥防水层，所述横梁（1）、所述立柱（4）均采用316L不锈钢，耐海水有机涂料采用TE 55-80环氧富锌底漆+TS55-80聚氨酯面漆。
5.一种海洋气候环境-扭转载荷耦合试验方法，其特征在于：所述试验方法采用如权利要求1-4任一项所述的海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置进行，步骤包括：
步骤1，开启环境试验控制系统，启动海洋气候环境-扭转载荷耦合试验装置的液压动力系统；
步骤2，驱动立柱和横梁上移，当试样夹持间距大于试样总长度时，将试样一端安装于上夹头，然后将立柱和移动横梁下移至合适位置，将试样另一端安装于下夹头，将锁紧缸锁紧，完成试样安装；
步骤3，试样安装完成后，根据试样对应的产品在服役中所受的扭转载荷确定扭转试验条件，在试验控制系统中设定好扭转试验条件后开展扭转试验，反复扭转直至试样断裂或试验周期结束；试验过程中，采集扭转试验数据，开展试验结果评定；试验过程中，至少在试样断裂后的12h内取回试样，并将试样放置在干燥器中待测。
6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：开展动态扭转试验时，扭转试验时间不应低于10天，每天扭转一次，每次扭转时间不应低于30分钟，扭转角度范围为±45°。
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